Текст книги "Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом"

Радиогенный тепловой поток также указывает на то, что общее содержание урана на планете составляет около 0,000002 %. Те мантийные породы, к которым у нас есть доступ, содержат примерно такое же количество урана. Таким образом, можно утверждать, что они действительно являются репрезентативными для мантии, то есть идея об эффективном перемешивании мантии подтверждается. Но здесь таится загадка. В обнаженных мантийных породах преобладает минерал оливин – силикат, состоящий из магния и железа, а содержание урана в нем значительно выше, чем в классе каменных метеоритов, называемых энстатитовыми хондритами. Долгое время считалось, что эти метеориты состоят из того же вещества, из которого состоит и Земля, однако основную часть этих метеоритов составляет другой силикат – пироксен. Возникает вопрос: где на Земле может прятаться это вещество с преобладанием пироксена – может быть, глубоко в карманах мантии? Или состав планеты отличается от состава энстатитовых хондритов?

Соотношение оливина и пироксена в мантии Земли имеет решающее значение для точного определения места и времени образования планеты из солнечной туманности. Выделение оливина происходит при несколько более высокой температуре, чем выделение пироксена; это значит, что если бы планета находилась ближе к Солнцу или образовалась раньше, когда температуры были выше, оливина было бы больше.

Мы все еще далеки от окончательного ответа на этот вопрос. С учетом количества обнаруженных геонейтрино у оценщиков радиогенного теплового потока остается довольно большое поле работы: точность определения количества тепла в 20 тераватт имеет погрешность ±9 тераватт, что затрудняет окончательный выбор модели мантии по ее составу или сценарию перемешивания. С помощью детекторов KamLAND и «Борексино» вряд ли удастся положить конец дебатам на эту тему.

Третий детектор, который должен был начать работу в 2018 году, может иметь решающее значение. Глубоко под землей в Нейтринной обсерватории Садбери (англ. Sudbury Neutrino Observatory, SNO; Онтарио, Канада) расположен детектор SNO+. Это устройство примерно того же размера, что и KamLAND, но, находясь на глубине 2 километра под землей, детектор лучше защищен от мюонов космических лучей. И он не окружен ядерными реакторами. При более низком уровне фона SNO+ должен ловить геонейтрино пачками – разумеется, в переносном смысле, поскольку нейтрино вообще трудно поймать.

Но и это только начало. В идеале мы хотим нанести на карту места происхождения геонейтрино и получить более детальную картину распределения урана и тория, а также построить точную модель мантии и узнать, какова степень ее однородности и перемешивания. Для этого надо уметь отсеивать геонейтрино из других источников, таких как кора и ядро, для чего потребуется сеть детекторов, которые будут ловить нейтрино, приходящие из разных мест и под разными углами. Такой навык позволил бы нам получить больше сведений об особых участках мантии, таких как мантийные суперплюмы[1]1
  Плюм – поток горячего мантийного вещества, двигающегося от основания мантии у ядра Земли. – Здесь и далее прим. пер.


[Закрыть] под Африкой и Тихим океаном, которые считаются ответственными за возникновение аномальных областей вулканизма (см. главу 5).

Проходя через эти суперплюмы, сейсмические волны резко теряют скорость – это позволяет предположить, что они имеют меньшую вязкость и, скорее всего, более высокую температуру. Объяснить это можно тем, что суперплюмы содержат большое количество подвергающихся распаду урана и тория. Если это так, то они могут быть источниками дополнительного рождения геонейтрино.

На мелководье и в глубине

Не только космические лучи, Солнце и ядерные реакции могут мешать измерению сигналов от геонейтрино. Чтобы составить подробную карту того, что происходит в мантии Земли, нам также необходимо исключить нейтрино, приходящие из земной коры и из земного ядра. Хотя толщина коры невелика по сравнению с размерами мантии, из-за ее близости к подземным детекторам трудно определить среди суммарного количества геонейтрино те из них, что приходят именно от мантии.

Чтобы уменьшить воздействие этого шума, канадские исследователи решили проанализировать геологические формации коры вплоть до границы мантии в районе эксперимента SNO+. Цель состояла в том, чтобы оценить содержание урана и тория в данной области и примерное количество нейтрино, которое возникнет в результате распадов этих веществ.

А как отсеять нейтрино из ядра? Ведь они тоже генерируют шум? Еще не так давно геофизики всерьез полагали, что в ядре содержится достаточно много урана и оно может превратиться в гигантский ядерный реактор. Но моделирование показало, что при высоких температурах и давлениях, которые существовали в океанах магмы на юной Земле, уран явно предпочитает соседство элементов, содержащихся в мантийных породах, и избегает железо и никель – элементы, из которых преимущественно состоит ядро.

Сердце планеты

Измерения сейсмических волн, компьютерные модели и лабораторные эксперименты, которые имитируют экстремальные условия, существующие в ядре, дают достаточно надежную картину процессов, происходящих в самых глубоких слоях Земли.

Из анализа сейсмических явлений мы знаем, что ядро начинается на глубине 2890 километров, а его радиус составляет 3470 километров. Оно состоит из двух слоев: внешнего ядра, содержащего расплавленное железо, и внутреннего ядра из никеля и железа в твердом состоянии. Внутреннее ядро по своим размерам вполне может соперничать с Луной.

Но так было не всегда. В начале времен наша планета представляла собой хаос, в котором не было никакой явной структуры. Затем самые тяжелые элементы – в основном железо, но попадался и никель, – устремились к центру планеты. Точные выводы о том, когда и как это произошло, еще предстоит сделать. Некоторые считают, что ядро образовалось внезапно, когда тяжелые вещества стремительно двигались вглубь Земли. Другие полагают, что железо медленно просачивалось в ядро.

Благодаря анализу распада радиоактивных изотопов, содержащихся в вулканических породах, которые образовались глубоко внутри Земли, было установлено, что ядро сформировалось, когда возраст планеты составлял 30–100 миллионов лет. Вихревые движения в жидком железном ядре запустили 3,5 миллиарда лет назад магнитное поле. Затем, в промежутке между 1,5 и 1 миллиардом лет назад, температура в центре ядра понизилась достаточно, чтобы в ядре произошла кристаллизация и образовалось твердое внутреннее ядро.

С одной из тайн, окружающих ядро, удалось снять покровы. Ученые заметили, что через восточную часть ядра сейсмические волны распространяются быстрее, чем через западную, но никто не мог понять, почему так происходит. Моделирование помогло найти ответ. Скорее всего, это явление связано с турбулентностью жидкого железа во внешнем ядре, в результате чего более холодное вещество затягивается туда из пограничных районов между ядром и мантией. Затем оно попадает на твердое внутреннее ядро и формирует на нем своеобразную «нашлепку». В течение последних 300 миллионов лет большая часть вихревых движений в железном ядре приходилась на территорию под Азией, в результате чего внутреннее ядро с восточной стороны подросло и стало примерно на 100 километров толще, чем с западной.

Это же могло повлиять и на магнитное поле Земли, которое, по мнению большинства исследователей, создается конвекцией в жидком внешнем ядре. Из-за турбулентности, вызванной ростом внутреннего ядра, магнитное поле со временем может стать менее стабильным; северный и южный магнитные полюсы Земли могут даже меняться местами (см. главу 4).

В случае, если это произойдет, – как уже случалось в прошлом – планета временно останется незащищенной от солнечного ветра – потока высокоэнергетических частиц, исходящих от Солнца. Результат его воздействия может быть катастрофическим. В лучшем случае сгорит все наше электронное оборудование, а в худшем – мы лишимся атмосферы Земли, обеспечивающей условия для жизни. Никто, правда, не знает, когда произойдет смена полюсов; а уж хорошая это новость или плохая, зависит от вашей точки зрения.

Невидимый экран

Считается, что магнитное поле Земли создается самыми фундаментальными физическими процессами. Электроны, текущие через жидкое ядро, генерируют электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле. Другими словами, ядро – это гигантское самоподдерживающееся динамо.

Просто, да не совсем. В последние годы появились указания на то, что это динамо должно быть сравнительно «свежим» явлением. При этом само по себе магнитное поле существует на протяжении большей части истории Земли, как об этом свидетельствует палеомагнетизм древних пород. Налицо кажущийся парадокс, который заставляет переосмыслить явления, происходящие внутри нашей планеты.

Мы уже говорили о том, что по мере охлаждения планеты плотное железо медленно погружалось в землю по направлению к центру, где оно плавилось под действием высоких температур. Затем включилась тепловая конвекция – процесс, при котором горячая жидкость поднимается и охлаждается, а плотная жидкость тонет. Это движение и привело в действие динамо.

Но здесь возникает одна сложность. В какой-то момент Земля достаточно остыла, чтобы часть жидкого железа в ядре могла затвердеть. При экстремальных температурах и давлениях внутри планеты ядро начало замерзать изнутри. Согласно распространенным оценкам, этот процесс начался 1,5 миллиарда лет назад. Сегодня внутреннее ядро представляет собой сплошной железный шар с радиусом более 1200 километров и все время растет по мере того, как охлаждается Земля.

К счастью, замерзание ядра вызвало еще один эффект, который поддерживал магнитное динамо в рабочем состоянии. По мере роста внутреннего ядра из него вытесняются легкие элементы. Подобное явление происходит, когда замерзает соленая вода: соль не может встроиться в кристаллическую структуру льда и выталкивается из него, поэтому пресноводный лед плавает поверх очень соленой воды.

Похожим образом устроено и твердое внутреннее ядро Земли, которое почти полностью состоит из железа. Его окружает железо-никелевая жидкость с примесью серы, кислорода и других более легких элементов. Благодаря наличию этих дополнительных ингредиентов жидкость, окружающая внутреннее ядро, становится менее плотной и устремляется вверх. Вдали от внутреннего ядра более тяжелое вещество, содержащее много железа, тонет; во внешнем ядре начинается бурление – запускается процесс композиционной конвекции.

Сейчас преобладает такая точка зрения, что тепловая и композиционная конвекции могли вместе поддерживать динамо на протяжении большей части истории Земли. Но именно здесь и возникают основные трудности. В последнее время исследователи начали задаваться вопросом: а происходила ли вообще когда-либо тепловая конвекция? А если она и происходила, то с достаточной ли силой, чтобы обеспечить функционирование магнитного поля планеты?

Проблема заключается в способе распространения тепла. Для существования конвекции необходима разность температур: в кастрюле с кипящей водой у дна жидкость горячее, чем в верхнем слое. Это может происходить только потому, что вода является плохим проводником тепла. Хорошие проводники тепла быстро выравнивают температуру и останавливают конвекцию. И здесь тоже есть загвоздка: накапливается все больше и больше фактов, которые свидетельствуют о том, что ядро является более хорошим проводником тепла, чем мы изначально думали.

Рис. 3.3. Полярные сияния – самое очевидное и прекрасное доказательство существования магнитного поля Земли.

В 2012 году независимо друг от друга были построены две компьютерные модели, которые показали, что теплопроводность жидкого ядра должна быть в два раза больше той, которую приписывали ему ранее. В 2016 году группа ученых во главе с Кей Хиросе из Токийского технологического института (Япония) измерила теплопроводность железа под давлением, сравнимым с тем, что должно быть в ядре. Данные измерений совпали с результатами двух компьютерных моделей и указали на то, что магнитное поле Земли могло появиться только при первом затвердевании ядра 1,5 миллиарда лет назад.

Но это противоречит данным наблюдений. Мы знаем, что магнитное поле Земли существовало задолго до этого времени, потому что его присутствие зафиксировано в древних вулканических породах: когда расплавленная порода затвердевает, содержащиеся в ней магнитные минералы выравниваются вдоль магнитного поля Земли (см. главу 4). Геологические доказательства неопровержимы: возраст этих доисторических компасов в породах составляет как минимум 3,45 миллиарда лет. Остается значительный пробел во времени, когда ни тепловая, ни композиционная конвекции не могли поддерживать динамо-эффект. Тогда что же его поддерживало?

Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института и некоторые другие исследователи придерживаются иного взгляда на модель магнитного поля Земли. Они считают, что главную роль играет третья форма конвекции, которая не зависит от активности вокруг внутреннего ядра, а определяется событиями, происходящими на внешней границе жидкого ядра. По мере его охлаждения более легкие элементы, растворенные в жидком железе, будут выделяться и поглощаться мантией. Оставшаяся более плотная жидкость будет затем тонуть, запуская конвекцию.

В настоящее время проводится работа по выявлению основного зачинщика этого процесса – основными подозреваемыми являются магний или кремний. Магний почти не растворяется в железе и поэтому легко выпадает в осадок. Для того чтобы он растворился, требуется очень высокая температура. Такая температура предположительно существовала при яростных столкновениях тел и частиц во время образования Земли.

Кремния в природе больше; не исключено, что он преобладает и в глубине планеты. Эксперименты группы Хиросе показали, что диоксид кремния легко кристаллизуется в ядре – для этого не нужны никакие внешние процессы. Хиросе считает, что диоксид кремния является наиболее вероятной движущей силой этой новой формы конвекции.

Некоторые исследователи даже предположили, что конвекция вообще не может быть ответственной за динамо-эффект. Они думают, что расплавленное железо приводится в движение толчками, возникающими при «пошатывании» Земли во время вращения. Но эти идеи можно рассматривать скорее как курьезные отклонения от основного круга гипотез.

Вероятно, для объяснения динамо-эффекта придется привлекать новую форму конвекции, которая работает глубоко внутри Земли. Хотя может ли она до конца разрешить магнитный парадокс, остается неясно. К счастью, нам не придется долго ждать ответа – это очень динамично развивающаяся область науки.

Свободный мягкий жизненный покров

Погрузившись глубоко во внутренние слои планеты, мы упустили слой, о котором, однако, нельзя не упомянуть. Мы видим этот слой каждый день, но воспринимаем его как должное и не ценим в достаточной степени, если не являемся фермерами или садоводами. Но без педосферы – почвенного покрова – большинство растений не смогло бы выжить и пищевая цепь, которая поддерживает большинство животных, включая нас, была бы перерезана уже у самого основания. Короче говоря, если бы на Земле в условиях отсутствия почвы была жизнь, она была бы бледной тенью того, что мы имеем сейчас.

С точки зрения всей планеты почва представляет собой обширную переходную зону, которая охватывает большую часть поверхности Земли, где встречаются атмосфера, гидросфера, биосфера и геосфера. Это прекрасная и важная стихия, но вместе с тем и очень сложно устроенная. Почвенный покров находится в точке пересечения между этими четырьмя сферами; более того, самим своим существованием он обязан их взаимодействию.

Почва состоит из твердых веществ, одна часть которых – продукты выветривания горных пород, а другая – продукты биологической активности, результат распада растительных и животных останков. Почва имеет чрезвычайно пористую структуру – как правило, с соотношением 50: 50 между твердыми частицами и пористым пространством между ними. Пористое пространство может содержать различное количество воды и воздуха, в зависимости от того, насколько почва влажная или сухая.

Почвы формируются благодаря действию целого ряда процессов. Например, физическое выветривание в результате многократного повторения цикла замерзаний и оттаиваний, а также работы ветра, воды и льда разбивает почвенный горизонт на отдельные частицы. Химическое выветривание изменяет состав минералов, из которых сделаны породы. В формировании почвы также участвуют процессы разложения веществ, из которых состоят растения и животные; большую роль играет движение твердых фракций и химических веществ, растворенных в воде.

Одна из важнейших функций почвы – поддержание жизни. Сама почва изобилует различными формами жизни, в основном микроорганизмами, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, но в ней обитают также и более крупные животные, например земляные черви; во внутренних и наружных слоях почвы кишит растительная жизнь. Вся эта биологическая активность проистекает из способности почвы обеспечивать основные жизненные потребности: в крове, в пище и в воде.

Жизнедеятельность растений и многих животных, которые питаются растениями, зависит от потребления различных количеств жизненно важных элементов, таких как азот, фосфор, калий и кальций. Эти элементы в растворимом виде поступают в почвенную воду благодаря таким процессам, как выветривание горных пород и минералов, а также разрушение органических веществ. Затем эти элементы легко усваиваются почвенными организмами, а растения поглощают их через свои корни.

На процессы, происходящие в почве, влияют такие факторы окружающей среды, как геологические свойства нижележащих слоев, виды растительности в данном месте, климат и характер местности. В разных географических местах различное сочетание этих факторов и процессов приводит к образованию разнообразных почв.

Почвы классифицируются по признакам, которые проявляются при анализе почвенных профилей – вертикальных разрезов почвы. Например, в зоне умеренного климата вещества, полученные из песчаника, могут формировать подзолистую почву в хвойных лесах на крутых склонах. Подзолы имеют характерную полосчатую структуру, создаваемую путем промывания и перераспределения веществ под действием просачивающейся воды. В тропическом климате базальтовые породы, подвергающиеся сильному выветриванию, могут образовывать в джунглях оксисольные почвы – глубокие, красные, богатые окислами железа.

Система классификации почв разработана так же хитроумно, как и система классификации форм жизни. В одних только США занесено в каталог более 20 000 типов почв. Многим из них грозит истощение. Оценки показывают, что более трети верхнего почвенного слоя в мире находится под угрозой исчезновения. И это еще не весь ущерб, который может быть нанесен. Согласно оценке из доклада ООН о состоянии почвенных ресурсов мира от 2015 года, большинство почв мира находится «в средней кондиции», «в плохом» или «в очень плохом» состоянии. Эрозия уносит до 40 миллиардов тонн верхнего слоя почвы каждый год, питательные вещества в почве истощаются, а минерализация почвы из-за техногенных факторов затронула примерно 760 000 квадратных километров – это размер всех пахотных земель в Бразилии.

Рис. 3.4. Каждый год мир теряет полезную почву, площадь которой по размерам сравнима со штатом Луизиана. Этот процесс грозит серьезными экономическими последствиями.

Если нам не удастся переломить ситуацию, через 60 лет на Земле может вообще не остаться пригодной для обработки почвы. Учитывая, что на почве произрастает 95 % нашей пищи и что она поддерживает жизнь человека другими, не менее удивительными способами, понятно, что мы столкнулись с огромной проблемой. Специалисты утверждают, что деградация почв является самой серьезной экологической угрозой для человека.

Взрывная ликвидация

Почвы Abruptic durixeralfs – это подгруппа почв, которые угнездились между основными сельскохозяйственными землями на западе США. Эти почвы находятся под угрозой исчезновения, отчасти потому, что они мало пригодны для сельского хозяйства – в них имеет неприятную тенденцию образовываться уплотненный почвенный горизонт, который отталкивает как корни, так и воду. Некоторые отчаянные фермеры дошли до того, что используют взрывчатые вещества, пытаясь уничтожить этот слой. Весьма драматический способ ликвидации почвы и, к сожалению, только один из многих.